Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биохимия. Учебное пособие
.pdf
Аммиак в почках образуется также за счет амидной
группы глутамина крови, который не задерживается в печени. Глутамин гидролизуется глутаминазой, имеющейся в
клетках эпителия канальцев почки
Образование солей аммония в почечных канальцах
является важным механизмом регуляции кислотноосновного состояния организма. Оно резко возрастает при
метаболическом ацидозе - накоплении в организме кислот
и снижается при потере кислот организмом (алкалозе).
3. Основным механизмом обезвреживания аммиака в
организме является синтез мочевины. Мочевина выводится
из организма с мочой в качестве главного конечного продукта белкового обмена. На долю мочевины приходится до
80-85 % от всего выводимого из организма азота. Основ-
ным местом синтеза мочевины является печень. Синтез мочевины является циклическим метаболическим процессом
и носит название орнитинового цикла мочевинообразования Кребса.
Орнитиновый цикл тесно связан с циклом трикарбоновых кислот (бицикл Кребса). Механизм процесса достаточно простой, рассматривается всего лишь в трех стадиях.
Однако особенностью цикла является то, что ферменты реакций распределены между цитоплазмой и митохондрией
клеток.
За каждый оборот цикла из двух молекул аммиака
синтезируется одна молекула мочевины, и расходуются три
молекулы АТФ.
91
Рис. 23. Схема биосинтеза мочевины.
Биосинтез белка
Синтез белка непрерывно происходит в каждой живой клетке. Белоксинтезирующая система клетки предполагает координированного взаимодействия более 300 различ-
ных макромолекул и включает набор всех 20 аминокислот,
входящих в состав белковых молекул; минимум 20 разных
тРНК; набор минимум 20 различных ферментов – аминоацил-тРНК-синтетаз; рибосомы; белковые факторы, участ-
вующие в синтезе на разных уровнях трансляции; иРНК в
качестве главного компонента системы, несущей информа-
цию о структуре белка, синтезирующегося в рибосоме.
Несмотря на такую сложность белки в клетке синтезируются достаточно высокой скоростью. Например, в
клетках E.coli, белок, состоящий из 100 аминокислот, синтезируется за 5 сек.
92
Рис. 24. Принципиальная схема биосинтеза белка (по
А.С. Спирину). Кружочки – свободные аминокислоты и их остатки в составе полипептидной цепи.
Аминокислотная последовательность (первичная
структура), как известно, закодирована в генах. Матричная
РНК (мРНК) или информационная РНК (иРНК) служит для
переноса генетической информации от ДНК в ядре до ци-
топлазмы, где она соединяется с рибосомами и служит мат-
рицей, на которой осуществляется синтез белка. Процесс
синтеза информационного РНК называется транскрипция.
После того как стало известно особенности строения гена
был полностью расшифрован механизм транскрипции.
Предварительно синтезируется полная комплиментарная
копия гена – pro-и РНК, котрая претерпевает затем процесс
созревания (процессинг иРНК).
Процессинг состоит в ферментативном разрезании
первичного транскрипта с последующим удалением его интронных участков и воссоединением (сплайсингом) экзон-
93
ных участков, формирующих непрерывную кодирующую
последовательность зрелой мРНК, которая в дальнейшем
участвует в трансляции генетической информации. Во вре-
мя процессинга происходит также модификация 5'-и 3'концов формирующейся зрелой молекулы мРНК.
Трансляция как очередной этап реализации генетической информации заключается в синтезе полипептида на
рибосоме, при котором в качестве матрицы используется
молекула мРНК.
Трансляцию можно представить как процесс перевода «нуклеотидного языка» иРНК на «аминокислотный»
полипептидной цепи молекулы белка. Происходит данный
процесс благодаря тому, что в нуклеотидной последова-
тельности мРНК имеются кодовые «слова» для каждой
аминокислоты – генетический код. Каждое последователь-
ное тройное сочетание нуклеотидов кодирует одну амино-
кислоту – кодон. Генетический код состоит из 64 кодонов.
Генетический код является вырожденным. Это означает, что большинство аминокислот кодируется несколькими кодонами. Последовательность первых двух нуклео-
тидов определяет в специфичность каждого кодона, т.е. ко-
доны кодирующие одну и ту же аминокислоту различаются
только третьими нуклеотидами.
Другой отличительной особенностью генетического
кода является его непрерывность, отсутствие «знаков пре-
пинания», т.е. сигналов, указывающих на конец одного ко-
дона и начало другого. Другими словами, код является ли-
нейным, однонаправленным и непрерывающимся. Наибо-
лее существенной особенностью кода является его универсальность для всех живых организмов от бактерий до человека. Код не подвергся существенным изменениям за мил-
94
лионы лет эволюции.
Среди 64 кодонов 3, а именно УАГ, УАА, УГА, оказываются «бессмысленными». Эти кодоны выполняют
важную функцию сигналов терминации в синтезе полипеп-
тида в рибосомах.
Процесс трансляции можно условно подразделить на
три основные стадии — инициацию, элонгацию и терминацию.
Инициация трансляции обеспечивается соединением
молекулы мРНК с определенной областью малой субъединицы диссоциированной рибосомы и формированием ини-
циирующего комплекса.
Процесс элонгации непосредственно связан с боль-
шой субъединицей рибосом, которая имеет специфические
участки – А (аминокислотный) и Р (пептидильный). Начи-
нается с образования пептидной связи между инициирующей (первой в цепочке) и последующей (второй) аминокислотами. Затем происходит перемещение рибосомы на
один триплет мРНК в направлении 5'→ 3', что сопровождается отсоединением инициирующей тРНК от матрицы
(мРНК), от инициирующей аминокислоты и выходом ее в
цитоплазму. При этом вторая по счету аминоацил-тРНК
передвигается из A-участка в Р-участок, а освободившийся
А -участок занимается следующей (третьей по счету) аминоацил-тРНК. Процесс последовательного передвижения
рибосомы «триплетными шагами» по нити мРНК повторяется, сопровождаясь освобождением тРНК, поступающих в
Р-участок, и наращиванием аминокислотной последовательности синтезируемого полипептида.
Терминация трансляции связана с вхождением одно-
го из трех известных стоп-триплетов мРНК в А-участок ри-
95
босомы. Поскольку такой триплет не несет информации о
какой-либо аминокислоте, но узнается соответствующими
белками терминации, то процесс синтеза полипептида пре-
кращается и он отсоединяется от матрицы (мРНК).
Посттрансляционная модификация полипептида
представляет собой завершающий этап реализации генетической информации в клетке, приводящий к превращению
синтезированного полипептида в функционально активную
молекулу белка. При этом первичный полипептид может
претерпевать процессинг, состоящий в ферментативном
удалении инициирующих аминокислот, отщеплении других (ненужных) аминокислотных остатков и формирование
уровней структурной организации и др.
12. Взаимосвязь процессов обмена веществ
в организме
Живой организм и его функционирование находятся
в постоянной зависимости от окружающей среды. Все превращения органических веществ, процессы анаболизма и
катаболизма тесно связаны друг с другом. В организме че-
ловека и животных, как и в живой природе вообще, не су-
ществует самостоятельного обмена белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Все превращения объединены в
целостный процесс метаболизма, все взаимопревращения
диктуются физиологическими потребностями организма, а
также целесообразностью замены одних органических ве-
ществ другими.
Еще Кребс и Корнберг отмечали, что, несмотря на
огромное разнообразие пищевых веществ, число химических реакций, обеспечивающих их превращения и образо-
96
вание энергии, «удивительно мало». Эти закономерности
свойственны как организму животных и человека, так и
микроорганизмам и растениям.
В настоящее время экспериментально обосновано
существование трех главных этапов распада молекул угле-
водов, белков и жиров, которые интегрируют образование
энергии из основных пищевых источников. На I этапе полисахариды расщепляются до моносахаридов (обычно гексоз); жиры распадаются на глицерин и высшие жирные ки-
слоты, а белки – на составляющие их свободные аминокис-
лоты. Следует подчеркнуть, что указанные процессы в основном являются гидролитическими, поэтому освобождающаяся в небольшом количестве энергия почти целиком
используется организмами в качестве тепла.
На II этапе мономерные молекулы (гексозы, глицерин,
жирные кислоты и аминокислоты) подвергаются дальнейшему распаду, в процессе которого образуются богатые
энергией фосфатные соединения и ацетил-КоА. Только для
аминокислот ситуация на II этапе несколько отлична. При
преимущественном использовании аминокислот в качестве
источника энергии (при дефиците углеводов или при сахарном диабете) некоторые из них непосредственно пре-
вращаются в метаболиты лимоннокислого цикла, другие –
опосредованно через глутамат (пролин, гистидин, аргинин),
третьи – в пируват и далее в ацетил-КоА. В целом, II этап
можно назвать этапом образования ацетил-КоА, являюще-
гося по существу единым (общим) промежуточным про-
дуктом катаболизма основных пищевых веществ в клетках.
На III этапе ацетил-КоА (и некоторые другие метаболиты, например α-кетоглутарат, оксалоацетат) подвергаются окислению («сгоранию») в цикле ди- и трикарбоновых
97
кислот Кребса. Окисление сопровождается образованием
восстановленных форм НАДН
и ФАДН2.
2
В заключении осуществляется перенос электронов от
восстановленных нуклеотидов на кислород (через дыхательную цепь). Он сопровождается образованием конечно-
го продукта – молекулы воды. Этот транспорт электронов
сопряжен с синтезом АТФ в процессе окислительного фос-
форилирования.
Необходимо отметить, что, помимо взаимных пере-
ходов между разными классами веществ в организме, доказано существование более сложных форм связи. В частности, интенсивность и направление любой химической реакции определяются ферментами, т.е. белками, которые оказывают непосредственное влияние на обмен липидов, угле-
водов и нуклеиновых кислот.
Помимо прямых переходов метаболитов этих классов
веществ друг в друга, существует тесная энергетическая
связь, когда энергетические потребности могут обеспечи-
ваться окислением какого-либо одного класса органиче-
ских веществ при недостаточном поступлении с пищей
других. Важность белков (в частности, ферментов, гормонов и др.) в обмене всех типов химических соединений
слишком очевидна и не требует доказательств. Неоспорима
большая роль белков и аминокислот для синтеза ряда спе-
циализированных соединений (пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды, порфирины, биогенные амины и др.). Кетогенные аминокислоты, образующие в процессе обмена
ацетоуксусную кислоту (ацетоацетил-КоА), могут непо-
средственно участвовать в синтезе жирных кислот и стеринов. Аналогично могут использоваться гликогенные ами-
нокислоты через ацетил-КоА, но после предварительного
98
превращения в пируват. Некоторые структурные компоненты специализированных липидов, в частности фосфоглицеринов, имеют своим источником аминокислоты и их
производные, например серин, этаноламин, сфингозин и
холин. Необходимо подчеркнуть, что превращение углеродных скелетов кетогенных или гликогенных аминокис-
лот в жирные кислоты является необратимым процессом. В
то же время из глицерина нейтральных жиров через пиру-
ват полностью осуществляется синтез углеродных скелетов
некоторых гликогенных аминокислот.
Рис.25. Участие ацетил – КоА в метаболизме.
Продукты гидролиза пищевых и тканевых триацилг-
лицеролов, в частности высшие жирные кислоты, участву-
ют непосредственно в образовании сложных белков – ли-
попротеинов плазмы крови. В составе липопротеинов, яв-
99
ляющихся, таким образом, транспортной формой жирных
кислот, они доставляются в органы-мишени, в которых
жирные кислоты служат или источником энергии (сердеч-
ная и поперечно-полосатая мускулатура), или предшест-
венниками синтеза тканевых триацилглицеролов с последующим их отложением в клетках ряда органов (депо ли-
пидов).
Получены доказательства синтеза глюкозы из большинства аминокислот. Для некоторых аминокислот (аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты) связь с глюконеогенезом является непосредственной, для других она
осуществляется через побочные метаболические пути. Сле-
дует особо подчеркнуть, что три α-кетокислоты (пируват,
оксалоацетат и кето-глутарат), образующиеся соответст-
венно из аланина, аспартата и глутамата, не только служат
исходным материалом для синтеза глюкозы, но являются
своеобразными кофакторами при распаде ацетильных остатков всех классов пищевых веществ в цикле Кребса для
получения энергии.
Доказано также, что исходными субстратами для
глюконеогенеза являются те аминокислоты, распад которых сопровождается образованием пировиноградной кислоты (например, аланин, серин, треонин и цистеин). Более
того, имеются доказательства существования в организме
своеобразного циклического процесса – глюкозоаланино-
вого цикла, участвующего в тонкой регуляции концентрации глюкозы в крови в тех условиях, когда в период между
приемами пищи организм испытывает дефицит глюкозы.
Энергетическая ценность пищи оказывает опреде-
ленное влияние на белковый обмен, контролируемый азо-
тистым балансом. Так, если потребляемая энергия пищи
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]